martes, 21 de junio de 2016

Antes del GPS: Navegación hiperbólica (Loran-C)


Antes de que se navegara gracias al GPS existieron otros métodos para poder volar largas distancias con gran precisión. El LORAN (del inglés LOng RAnge Navigation, navegación de largo alcance) es un sistema de ayuda electrónico que fue desarrollado en los Estados Unidos durante la II GM (1939-1945). Se desarrollaron diferentes versiones de este método de navegación. Las primeras versiones de este sistema eran muy parecidas al británico Gee, pero utilizaba frecuencias más bajas para poder incrementar el alcance de la señal. El LORAN primigenio era capaz de alcanzar distancias de 2.400 km con un margen de error bastante pequeño. Con el tiempo se fueron poniendo en práctica nuevos modelos pasando del LORAN-A al LORAN-B hasta terminar por la versión que aún se utiliza LORAN-C.


Inicialmente fue diseñado para apoyar el esfuerzo bélico y poder ayudar a la navegación de los barcos desde los Estados Unidos a Europa, pero pronto se instaló en los aviones para poder cruzar los océanos Atlántico y Pacífico. Existieron muchos sistemas de largo alcance, que en general fueron llamados sistemas de navegación de área precisamente por cubrir grandes áreas de superficie terrestre. A diferencia de los sistemas de corto alcance, como el VOR, el DME o el ADF, los sistemas hiperbólicos podían ser usados con gran precisión sobre superficies de terreno sin ningún otro tipo de radioayudas convencionales. Los más famosos sistem,as hiperbólicos a parte del LORAN fueron los DECCA y el OMEGA en el mundo occidental y el CHAYKA y el RSDN-20 (copia del OMEGA) en la Unión Soviética. El sistema LORAN es utilizado en muchos países, entre ellos los Estados Unidos de América, Japón y varios países europeos. El uso de LORAN se resiste a desaparecer ya que se han encontrado nuevos usos en combinación con los sistemas GNSS.

El LORAN se basa en el cálculo hiperbólico por medio de ondas radioeléctricas de baja y media frecuencia. Se utiliza el intervalo en microsegundos transcurrido entre la recepción de señales de radio transmitidas desde tres o más transmisores para determinar la posición del receptor.



El famoso AN/APN-4 de los años 60 era un sistema LORAN que podía ser usado como el británico Gee en cuestión de minutos. La pantalla era un tubo de rayos catódicos (CRT).
La versión más moderna de este tipo de sistemas es LORAN-C que funciona en frecuencias del espectro electromagnético entre 90 y 100 kHz, con una señal multipulso, habitualmente 9 para las maestras (el noveno pulso indica la estación de la que se trata y sirve para aplicar algunas correcciones) y 8 para las esclavas o estaciones de referencia.

Principio de funcionamiento del LORAN 

Para poder navegar con este sistema es preciso que el avión pueda sintonizar al menos dos grupos de estaciones en tierra. Cada uno de ellos está constituído por dos equipos emisores que reciben el nombre de estación primaria o maestra y estación secundaria o esclava. Cada grupo de estaciones LORAN emite en una frecuencia distinta.  Un grupo formado por una estación Maestra y una Esclava es denominado "Chain" o cadena en inglés.



Un sistema de navegación hiperbólica fija la posición de la aeronave por referencia a líneas de posición hiperbólicas. Estas son líneas que unen puntos que tienen la misma diferencia en el rango a partir de dos puntos fijos. La intersección de dos o más líneas de posición formado de esta manera puede proporcionar una solución de navegación en un área amplia.

En la imagen se ve un sistema hiperbólico de antenas formado por una estación Maestra o primaria (M) con dos secundarias o esclavas (A y B). Las antenas están emplazadas en cada una de las letras y emiten pulsos electromagnéticos (ondas de radio, que como todas ellas, viajan a la velocidad de la luz). Las líneas rectas imaginarias que unen las estaciones (M-A y M-B) se denominan líneas base. A lo largo de la línea base se forman otras líneas que son curvas llamadas hipérbolas. La línea central que aparece como una recta se encuentra a mitad de camino entre las estaciones y se denomina línea bisectriz. Aunque es una línea recta también es una hipérbola. Si viajáramos a lo largo de una de esas curvas estaríamos siempre a una distancia igual a la diferencia entre estaciones. Recuérdese que una hipérbola es una Curva simétrica respecto de dos ejes perpendiculares entre sí, compuesta de dos ramas abiertas, dirigidas en sentidos opuestos, que se aproximan indefinidamente a dos asíntotas, de modo tal que la diferencia de sus distancias a dos puntos fijos es siempre constante. 



Los sistemas de navegación Rho/Rho (DME/DME), Theta/Theta (VOR/VOR) o Rho/Theta (DME/VOR) (como el que se muestra en la ilustración), son radioayudas convencionales de corta distancia. Calcular la posición de la aeronave depende de la precisión de cada una de estas radioayudas. Estas radioayudas están basadas en tierra y no tienen cobertura suficiente sobre los océanos o regiones desérticas. En la ilustración superior se puede ver como se fija la posición de una aeronave simplemente con un ángulo y una distancia. A diferencia de los sistemas hiperbólicos, las radioayudas DME y VOR utilizan altas frecuencias (VHF y UHF).



Los puntos peores para el cálculo de la posición son aquellos que se encuentran en la extensión de la línea base. Entre dos estaciones se pueden formar un número infinito de curvas hiperbólicas. Las extensiones de la línea base son también líneas hiperbólicas. Una línea de posición hiperbólica siempre une puntos de igual diferencia de distancia desde dos estaciones dadas. 

Las señales que lanza la estación maestra o principal llegan al equipo de abordo antes que las señales de la estación secundaria, con una diferencia de tiempo tal que dependerá de la posición de la aeronave. La parte del sistema LORAN que se encarga de los cálculos analiza la diferencia de tiempo entre las dos señales. Las señales son emitidas por antenas situadas estratégicamente. 

Esa diferencia de tiempo determinará una línea de situación que, debido a la posición relativa de la estación principal y secundaria, y al recorrido que deben de efectuar las ondas de radio hasta llegar al avión, tendrá la forma de una hipérbola. La aeronave puede estar situada en cualquier punto de la hipérbola, pues en cada uno de sus puntos, la diferencia de tiempo de llegada de la señal de las estaciones LORAN es constante. Para poder conocer exactamente la posición del avión sobre la hipérbola, será necesario sintonizar otro grupo LORAN para llevar a cabo el mismo procedimiento. Una vez hallada la nueva diferencia de tiempos, sobre la carta de navegación, pòdrá buscarse otra línea hiperbólica, correspondiente al grupo últimamente sintonizado, que esté de acuerdo con la diferencia de tiempos determinada por el receptor de a bordo.

cadena de LORAN-C en el Atlántico Norte en 2006

El equipo de a bordo consiste en un receptor de baja y media frecuencia y en una pantalla de rayos catódicos en sus versiones más antiguas, en la cual aparecen una serie de líneas producidas por la recepción en el avión de las ondas de radio emitidas por las antenas desde tierra. Con un aplantilla especial se mide la diferencia de tiempos entre las señales representadas en la pantalla. Las mediciones se hacen en microsegundos y de su exactitud depende la seguridad en la navegación basada en el LORAN.

Las estaciones principal (Maestra) y secundarias (esclavas) de un grupo LORAN suelen estar situadas una de otra a una distancia de entre 80 y 300 millas náuticas, y están unidas por una línea imaginaria denominada LÍNEA BASE. 

En la línea central llamada línea bisectriz (right bisector line), la diferencia de señales es cero. En la extensión de la línea base la diferencia de señales es precisamente la distancia entre estaciones. Las líneas bisectrices de la línea base y las propias extensiones de la línea base (aun siendo rectas) son también hipérbolas. Las líneas de posición más precisas son aquellas que se encuentran entre las dos estaciones.

Cerca de las extensiones de la línea base, las curvas hiperbólicas se doblan cada vez más, esto puede suponer un problema, ya que podría crear una ambigüedad. En efecto, un avión volando en estas regiones podría ser posicionado en dos puntos alternativos que se sitúan muy próximos.


Cada estación transmite un tren o paquete de 8 pulsos espaciados entre ellos 1 milisegundo. Cada pulso tiene una forma muy característica, como si fuera en forma ahusada o de pez. En realidad son oscilaciones muy compactas que van creciendo en intensidad. La duración del pulso del LORAN-C  es de 270 microsegundos. Las oscilaciones o ciclos se suceden de forma que en los 270 microsegundos se pueden contar 27 ciclos que viajan en la señal portadora de 100kHz. 



La estación maestra o primaria emite un pulso adicional (nueve en total). Este noveno pulso está espaciado 2 milisegundos, con lo cual sirve para identificar cuál es la estación primaria. Este pulso extra también se utiliza para enviar mensajes de precaución. Las estaciones secundarias o esclavas e suelen identificar con letras W, X, Y y Z, las cuales están definidas por el tiempo de retraso de su señal con la señal de la estación maestra. Esto es lo que se denomina “código de retraso” (coding delay).



La medida de las señales se efectúa entre el tercer ciclo (el punto rojo en la imagen) de cada pulso de la estación maestra con el correspondiente tercer ciclo de la estación secundaria. El octavo ciclo (punto azul) tiene la máxima amplitud desde el punto de vista de la relación señal/ruido, pero aunque aparentemente este sería el mejor punto de medición, se ha optado por no considerarlo. La razón es sencilla, usando este ciclo podríamos estar recibiendo una onda del espacio (sky wave contamination). Estas señales son rebotadas en la ionosfera e introducen errores en el sistema, por lo que es más sensato no usarlas. En vez de eso, los receptores están preparados para detectar el tercer ciclo (que se asegura como una señal terrestre). A este proceso se le denomina en inglés INDEXING. Técnicamente en algunos momentos podría llegar a usarse el octavo ciclo, pero esto debe de hacerse con cautela, pues la precisión del sistema se vería comprometida al llegar la onda contaminada desde el espacio.




El sistema está diseñado de forma que la estación maestra lanza su señal y esta es recibida por las estaciones secundarias. En ese momento las estaciones secundarias aplican su único y característico retraso antes de lanzar la señal. Esta técnica asegura que la aeronave situada en cualquier lugar de la cobertura del sistema pueda recibir a la estación maestra y luego a las secundarias (W, X, Y y Z) en el orden correcto y sin solaparse.


Una cadena es identificada por su propio intervalo del grupo de repetición, que no es otra cosa que el intervalo entre grupos.  Cada grupo de intervalo de pulsos en la cadena entre la estación maestra y la esclava es único. 

  

 SUMARIO DEL SISTEMA


PROBLEMA PARA LOS MÁS SESUDOS

Un sistema hiperbólico de navegación tiene una estación maestra y una esclava separadas por una distancia de 120 millas náuticas en su línea base. Una aeronave está posicionada a 45 millas náuticas de la estación maestra y a 97 de la esclava. ¿A qué distancia de la estación esclava cruzará la línea hiperbólica la línea base?

La solución al final del post.


El futuro del LORAN-C

A nivel mundial, la existencia continuada del sistema LORAN-C se encuentra en fase de discusión, ya que los sistemas de navegación por satélite son una alternativa mucho más precisa (...y también mucho más cara) que ya se ​​encuentra disponible; desde este punto de vista de la precisión y debido a las exigencias modernas de navegación, el LORAN-C está claro que puede no puede competir con los sistemas GNSS. Pero hoy en día se barajan otros usos del LORAN-C, que pueden hacer que su vida se alargue un poco más. 

El LORAN-C se puede utilizar de forma complementaria al sistema GPS (...y GNSS en general) debido a las especiales características de su señal. La señal de onda larga del LORAN-C penetra hasta donde la recepción por satélite no puede llegar debido a la falta de línea de visión directa, como en un bosque muy frondoso, dentro de edificios, debajo del agua o en túnel. El LORAN-C proporciona una prueba de integridad muy sencilla que muy poco tiempo puede avisar al usuario en caso de un mal funcionamiento del sistema satelital. 

Una gran ventaja de este sistema, a diferencia del GPS norteamericano, es el hecho de que no está bajo control militar. Debido a estas propiedades, el LORAN-C ha llegado en los últimos años a ganar popularidad en caso de un fallo general de los sistemas basados en satélites. Debido a que muchos estudios han demostrado posibles deficiencias futuras del sistema GPS si se usa como único sistema de navegación, los EE.UU. y Europa están estudiando un sistema mejorado denominado eLORAN (enhanced LORAN). En el marco de la Unión Europea también se está estudiando desde hace tiempo un programa llamado Eurofix, donde se estudia su integración con el sistema EGNOS. En todos estos casos lo que se quiere conseguir es un modo de corrección de datos para las señales por satélite que hayan podido contaminarse o hayan introducido errores en la solución de posición. El LORAN moderno proporciona una precisión similar a la del GPS (10 metros o mejor), pero a diferencia del sistema satelital, el LORAN no puede proporcionar una resolución de altura. Aunque tiene la ventaja de, por ejemplo, contar con una muy alta inmunidad al ruido.

SOLUCIÓN AL PROBLEMA

86 millas náuticas... no era tan complicado, después de todo esto no es "Rocket science" ¿No?

1 comentario:

  1. Hola, gracias por la clara información que publicas. Quisiera saber cuales son las fuentes de donde recabaste la información debido a que planeo hacer una pequeña investigación acerca de este tema. Te agradecería si pudieras publicarlo. Además, ¿conoces alguna situación registrada del uso de Loran en la vida real (con datos)?

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